Hidráulica Geral (ESA024)

Prof. Homero Soares

1º semestre 2014Terças de 10 às 12 hQuintas de 08 às 10h

TVC1: 23/09 (3ª feira) – Caps 1, 2 e Três ReservatóriosTVC2: 18/11 (3ª feira) – Caps 3, 4 e 5

TVC3 (3ª feira): 11/12 – Caps 6 e 7.

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Capítulo 1 Conceitos Fundamentais

Hidráulica

É a ciência que estuda a condução da água

ETMOLOGIA

Grego Hydros = Água

Aulos = Condução

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Conceito mais Abrangente

• Hidráulica é a área da engenharia que aplica os conceitos de Mecânica dos Fluidos na resolução de problemas ligados à:

– CAPTAÇÃO;

– ARMAZENAMENTO;

– CONTROLE e

– USO DA ÁGUAHidráulica

Agricultura

Energia

IndústriaSaneamento

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Aspectos Históricos

• A Hidráulica esteve presente ao longo de praticamente toda a história da humanidade.

• Disponibilidade variável no tempo e no espaço

• Necessidade de compatibilizar

Oferta X Demanda transportando de locais onde está disponível para locais onde é necessária.

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Aspectos Históricos

• Primeiros pensamentos efetivamente científicos relativos à Hidráulica GREGOS

Século III a.C ARQUIMEDES

Princípios da Hidrostática eEquilíbrio dos Corpos Flutuantes

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Aspectos Históricos

• ROMANOS Postura diferente da dos Gregos.Dão mais enfoque à construção do que à criação intelectual

Empreendimentos de Engenharia

CONSTRUÇÃO DE

DIVERSOS

AQUEDUTOS:

Em Roma: 11 aquedutos

Vazão: 4000 L/s

~ 345 L/hab dia

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Aspectos Históricos• Idade Média

• Renascimento (Séc. XVI)– Leonardo da Vince Escola Italiana:– Conservação da Massa, influência atrito no

escoamento, velocidade de propagação das ondas.

• Séc. XVII Contribuições de matemáticos e físicos Surge a Hidrodinâmica– Newton, Euler, Pascal, Boyle, Leibnitz, Bernoulli

Não foram observados grandes avanços para a Engenharia Hidráulica

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Aspectos Históricos

• Século XVIII

• Séc. XIX

• Séc. XX Mecânica dos Fluidos Karman, Nikuradse, Moody, Colebrook, etc.

Grandes progressos da Hidráulica, com base na experimentação França e Itália (Pitot, Chézy, Venturi)

Hidráulicos Práticos Introdução dos conceitos de velocidade e turbulência Reynolds, Hazen e Poiseuille,

Bresse, Weisbach e Darcy PERDA DE CARGA

Atualmente com o advento da INFORMÁTICA é possível modelar os escoamentos com os MÉTODOS NUMÉRICOS E COMPUTACIONAIS.

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Divisões da Hidráulica

Hidráulica Teórica

Hidráulica Aplicada

Hidrocinemática

Hidrostática

Hidrodinâmica

Velocidades e trajetórias das partículas

Líquidos em repouso

Líquidos em movimento e forças envolvidas

Hidráulica Urbana

Sistema de Abastecimento de Água

Sistema de Esgotamento Sanitário

Sistema de Drenagem Urbana

Hidráulica Rural ou AgrícolaIrrigação Drenagem Agrícola

Hidráulica Fluvial Rios e Canais

Hidráulica Marítima Portos e Obras Marítimas

Instalações Prediais, Industriais e Hidrelétricas

Meio AmbientePreservação dos Habitats Aquáticos

Dispersão de Poluentes

Erosão, entre outros

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Propriedades dos Fluidos

• Massa Específica (ou densidade absoluta)

• Densidade Relativa

• Peso Específico

• Pressão

• Princípio de Stevin

• Viscosidade do Fluido (Newtoniano)

• Vazão

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Propriedades dos Fluidos

• Massa Específica (ou densidade absoluta)– É a relação entre a massa da porção do fluido e o seu volume

– Características:

• Varia com a pressão e temperatura

Unidades de Massa Específica:– Sistema MKFS (técnico: F,L,T): utm/m3 ou kgf.s2/m4

– Sistema MKS (INTERNACIONAL: L,M,T): kg/m3

– Sistema CGS: g/cm3

– ρágua = 1000kg/m3 ou 102 kgf.s2/m4

– ρ água = 1,0g/cm3

m

v

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Propriedades dos Fluidos

• Peso Específico ( )– É a relação entre o peso de uma certa porção de fluido e o seu volume.

– Unidades:– Unidade de Peso Específico:

– Sistema MKFS (técnico): kgf/m3

– Sistema MKS: N/m3

– gágua: 1000kgf/m3 = 10000 N/m3

g

g

peso

volume

massa g

volumeg

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Propriedades dos Fluidos

• Densidade Relativa– É a relação entre o peso específico de uma substância e o peso de uma outra tomada

como referência. Para os líquidos, a água é o fluido tomado como referência

– Características:

drg

g

s

agua

s

agua

s

agua

g

g

dr

dr

agua

Hg

:,

,

1 0

13 6

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Propriedades dos Fluidos

• Pressão: Piezômetros e Manômetros– É a relação entre a força normal que age numa superfície plana e sua área.

– Unidade: MKS

A

FP

2

11

m

NPa

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• Lei de Stevin– A diferença de pressão entre dois pontos no interior de uma porção de fluido em

equilíbrio, é igual ao produto do DESNÍVEL entre eles e seu peso específico.

– 1 mca = 0,1 kgf/cm2 = 0,01 MPa

Propriedades dos Fluidos

0Y

F

hPP

hdAdAPdAP

dAPhdAdAP

g

g

g

12

21

021

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Propriedades dos Fluidos

• Viscosidade Dinâmica : Lei de Newton da Viscosidade– Para um fluido Newtoniano a tensão tangencial é proporcional ao gradiente

de velocidades. O fator de proporcionalidade é a viscosidade dinâmica do fluido.

– A viscosidade se evidencia com o movimento e é percebida como a resistência ao escoamento

Unidades de Viscosidade:

Sistema MKFS: kgf.s/m2

Sistema MKS: kg/m.s

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dy

dU

A

F

2/ mkgf sy

U/1

Propriedades dos Fluidos

• Viscosidade Cinemática do Fluido– É a relação entre viscosidade dinâmica do fluido e a massa específica.

• Unidades de Viscosidade Cinemática:– Sistema MKS: m2/s

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Propriedades dos Fluidos

• Vazão– É a relação entre o volume do líquido que flui por determinada seção

transversal na unidade de tempo.

• Unidades :

Tempo

VolumeQ

min,,,,

33 ml

h

l

dia

m

s

l

s

m

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Princípios da Hidráulica

• Princípio da Conservação da Massa

• Princípio da Conservação da Energia

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Princípio da Conservação da MassaEquação da Continuidade

• A massa não pode ser criada nem destruída.

• A massa de água que entra em um conduto (forçado ou livre) é a mesma que sai do conduto, se não houver contribuição ou retirada do fluido, ao longo do escoamento.

QA = QB mas: Q = U.S

– Logo:• UA . SA = UB. SB

• SA > SB UA < UB

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Princípio da Conservação da Energia: Eq. Bernoulli

• A Equação de Bernoulli: Primeira Lei da Termodinâmica, que se define:

“A energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada”.

Fluido Perfeito /Ideal:

• Abstração física

• Sem viscosidade e incompressível (ρ = cte)

• Ver pCI-5

2

... 22

222

2

2

22

2

111

g

UPZ

g

UPZ

g

UPZ nn

n ggg

Princípio da Conservação da Energia (Equação de Bernoulli: Fluido real)

Conduto ForçadoConduto Livre

g

gg

hg

UPZ

g

UPZ

22

2

2

2

2

2

111

gg

PCE = Plano de Carga Efetivo (Ideal)= Z + P/ + U12/2g + h

LCE = Linha de Carga Efetiva (Real) = Z + P/ + U12/2g

LPE = Linha Piezométrica = Z + P/

g

UPZ

g

UPZh

22

2

2

2

2

2

111

gg

OBS: LCE não está paralela à LPE, por que?

São paralelas

Em Ej

Perda = Em - Ej

Problema I.1 (CI.p10)

Determine a pressão e velocidade média com a qual a água escoa nos pontos1, 2, 3 e 4 no diagrama mostrado a seguir. Considere fluido perfeito (semperda de carga). Determine também a vazão em cada um dos pontos.

Considere o diâmetro igual a 100 mm em toda a tubulação.

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